基于微信平臺(tái)的多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)手機(jī)通信設(shè)計(jì)概述

{網(wǎng)絡(luò)營(yíng)銷(xiāo)}基于微信平臺(tái)的多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)手機(jī)通信設(shè)計(jì)概述學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明作者簽名：年月日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)位論文。本學(xué)位論文屬于1、保密囗，在年解密后適用本授權(quán)書(shū)2、不保密囗。（請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“√”）作者簽名：年月日導(dǎo)師簽名：年月日摘要該系統(tǒng)可以適用于工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)大棚、智能家居等諸多領(lǐng)域。服務(wù)器。Wi-FiWi-FiWi-Fi網(wǎng)絡(luò)的特性設(shè)計(jì)出了智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，各節(jié)點(diǎn)采用SAMD21單片機(jī)作為主控芯片，采用ESP8266作為Wi-FiWi-Fi模塊控制程序的開(kāi)發(fā)使用的是AT指令，并實(shí)現(xiàn)了Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的多對(duì)一連接和溫度數(shù)據(jù)的自動(dòng)記錄、存儲(chǔ)。關(guān)鍵詞：Wi-Fi通信；監(jiān)測(cè)；UART；嵌入式技術(shù)AbstractWiththerapiddevelopmentofputertechnologyandnetworktechnology，Computersarebeingsmallerandsmaller.Thisprovidesthepossibilityfortheemergenceoftheremoteintelligentenvironmentalmonitoringsystem.Remoteintelligentmonitoringsystemisdifferentfromthetraditionalmanualmonitoringsystem,Ithastheadvantagesofnoneedtobeonduty,lowcost,accuratemonitoringwillbewidelyusedinthefuture.Thissystemcanbeappliedtoindustrialproduction,agriculturalgreenhouse,smarthome,andmanyotherfields.Inthispaper,thewirelessmunicationoftheintelligentenvironmentalmonitoringsystemispurposeistodesignasimpleandeasytouse,reliabletransmission,highrateofmunication.NotonlycanachievewirelessLANmunication,whichcantransmiteachnode’sdatatotherootnode,butalsocanmuicatewithterminalontheinternet,transmitlocaldatatocloudserver.Atfirst,thebackground,significanceandcurrentsituationoftheresearcharecharacteristicsandapplicationscenariosofseveralmonwirelessmunicationmodesareanalyzed,anddeterminetheWi-Fiasthesystemofwirelessmunication.Then,thetopologystructure,basicserviceandsimplesecurityofWi-FinetworkaretothecharacteristicofWi-Finetwork,thewholestructureofintelligentenvironmentmonitoringsystemisdesigned,EachnodeusesSAMD21microcontrollerasthemaincontrolchip,usingESP8266astheWi-FirealizedthemonitoringfunctionofthepublicnumberofWeChattotheenvironmenttheATmandsforthedevelopmentofthecontrolprogramofWiFi,TheautomaticrecordingandstorageofthetemperaturedataandWi-Finetwork'smultitooneconnectionisrealizeKeyWords：Wi-Fi;Monitoring;UART;Embeddedtechnology目錄摘要ⅠAbstractⅡ1緒論11.1課題研究背景與意義11.2課題研究現(xiàn)狀11.3無(wú)線通信方式的選擇21.4Wi-Fi通信及其發(fā)展趨勢(shì)21.5本論文主要內(nèi)容42相關(guān)技術(shù)介紹62.1Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)62.2Wi-Fi的基本服務(wù)介紹82.3Wi-Fi安全技術(shù)的發(fā)展92.4本章小結(jié)103遠(yuǎn)程多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)113.1系統(tǒng)功能需求113.2系統(tǒng)架構(gòu)分析123.3硬件模塊選型一三3.4Wi-Fi模塊的串口工作模式173.5本章小結(jié)194基于SAMD21的Wi-Fi控制程序開(kāi)發(fā)214.1MCU與Wi-Fi通信接口選擇214.2Wi-Fi模塊通信接口協(xié)議224.3Wi-Fi模塊控制程序設(shè)計(jì)234.4Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的多連接與歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)274.5本章小結(jié)315系統(tǒng)測(cè)試325.1Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)連接測(cè)試325.2微信終端獲取數(shù)據(jù)測(cè)試336總結(jié)與展望356.1總結(jié)356.2展望36致謝37參考文獻(xiàn)381緒論1.1課題研究與意義數(shù)臺(tái)單片機(jī)作為監(jiān)控終端，PC溫度是人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活中一個(gè)重要的環(huán)境量，比如大型糧倉(cāng)、工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制。Wi-Fi是一種允許電子設(shè)備接入到一個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）的技術(shù)，Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)便捷與高速的特點(diǎn)使其得以快速普及，最近幾年來(lái)，Wi-Fi技術(shù)日趨成熟，Wi-Fi使用門(mén)檻和成本低等優(yōu)勢(shì)。在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)空前發(fā)展的今天，Wi-Fi正以其特有的優(yōu)勢(shì)適用于生產(chǎn)、生活的方方面面，為人們提供著高效的移動(dòng)連接。此外，Wi-Fi作為無(wú)線通信方式無(wú)需布線，可以不受空間區(qū)域的限制，市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿艽?。是?duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一種應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了物體之間的智能連接。11.2課題研究現(xiàn)狀方面面。生產(chǎn)生活中得到了廣泛應(yīng)用，目前常用的無(wú)線通信技術(shù)有GPRSCDMA、藍(lán)牙、、ZigBee、UWB、WLAN、IrDA等?；贕PRSCDMA無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是一種十分常用的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，在手機(jī)終端十分常用，該技術(shù)依托于GPRSCDMA無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)；藍(lán)牙是一種支持設(shè)備短距離無(wú)線通信的技術(shù)，通常有效通信范圍在10米之內(nèi)。藍(lán)牙的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.一五，工作在2.4GHz頻帶，帶寬為1Mb/s；IrDAHomeRF也稱(chēng)為家庭射頻，其設(shè)計(jì)初衷就是為了實(shí)現(xiàn)家用電器設(shè)備之間的通信。其傳輸距離較長(zhǎng)，傳輸速度較快，適合各種影音數(shù)據(jù)的傳輸。1.3無(wú)線通信方式的選擇在智能溫度檢測(cè)系統(tǒng)中，可以考慮使用的無(wú)線通信方式主要有Wi-Fi、藍(lán)牙、及紅外通信。其中藍(lán)牙技術(shù)的有效通信半徑是10米左右，在很多場(chǎng)合通信范圍偏Wi-Fi的有效通信半徑可達(dá)1002業(yè)、農(nóng)業(yè)監(jiān)控環(huán)境。所以，Wi-Fi以其無(wú)需布線，成本低廉，傳輸速率高等優(yōu)點(diǎn)是本課題中智能溫度檢測(cè)系統(tǒng)最合適的無(wú)線通信方式。1.4Wi-Fi通信及其發(fā)展趨勢(shì)Wi-FiWLAN2.4Ghz到5Ghz頻段，其安全性較有線連接和藍(lán)牙較差，但其高速率、無(wú)需布線的優(yōu)點(diǎn)使其得到了廣泛應(yīng)用[1]。Wi-Fi主要應(yīng)用于構(gòu)建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，在該環(huán)境下的各部分互相作用以實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的功能，主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成[2]：（1）站點(diǎn)（Station，STA），是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的終端，任何帶網(wǎng)絡(luò)接口的終端設(shè)備都可以是站點(diǎn)，比如手機(jī)、計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備，STA通過(guò)無(wú)線鏈路接入AP。（2BasicServiceSet,BSS少可以由兩個(gè)站點(diǎn)構(gòu)成，所有站點(diǎn)可以與同一基本服務(wù)單元內(nèi)的站點(diǎn)相互通信。（3）分配系統(tǒng)（DistributionSystem,DS），分配系統(tǒng)可以連接不同的BSS，通過(guò)連接多個(gè)基本服務(wù)單元可以組成覆蓋范圍更廣的擴(kuò)展服務(wù)單元。（4AccessPoint,AP,作為基本服務(wù)單元中的基站，既可以接入普通站點(diǎn)，又可以接入分配系統(tǒng)。AP和STA均為可以尋址的實(shí)體。（5）擴(kuò)展服務(wù)單元（ESS），由基本服務(wù)單元和分配系統(tǒng)構(gòu)成.多個(gè)基本服務(wù)單元連接以組成覆蓋面更廣的網(wǎng)絡(luò)，以提供更寬廣的服務(wù)區(qū)域。3（6）關(guān)口（Portal），是一種邏輯成分，主要用于將無(wú)線局域網(wǎng)和有線局域網(wǎng)或其他網(wǎng)絡(luò)組合，是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)的必要部分。圖1-1Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)原理圖在傳輸速率和帶寬上傳統(tǒng)的WLAN通信存在很多不足，比如IEEE802.11-1997最高傳輸速率只有1～2Mbit/s，而802.11b將這一速率提高到了11Mbit/s,802.11a和802.11g達(dá)到了54Mbit/s，802.11n最高速率則達(dá)到了300～600Mbit/s。IEEE802.11-1997可以采用IR方式、DSSS方式、FHSS方式，IEEE802.11b采用DSSS方式，兼容IEEE802.11-1997。新一代Wi-Fi5Ghz頻段的IEEE802.11ac傳輸速率可達(dá)1.3Gbit/s60Ghz頻段的IEEE802.11ad，最高傳輸速率可以達(dá)到7Gbit/s。此外還有全面兼容現(xiàn)有Wi-Fi的WiMAX(WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess)WiMAX以IEEE802.16距離、更快的傳輸速度，其普及之后將會(huì)提供更優(yōu)于Wi-Fi的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)[3]。1.5本論文主要內(nèi)容三部分組成。硬件采集系統(tǒng)主要由SAMD21單片機(jī)、LM35溫度傳感器、LCD液晶ESP8266Wi-FiWi-Fi模塊將單片機(jī)串口信號(hào)轉(zhuǎn)為Wi-Fi信號(hào)4A/D轉(zhuǎn)換后通過(guò)UART接口發(fā)送。根據(jù)以上內(nèi)容，本文共分為六章，具體結(jié)構(gòu)安排如下：第一章緒論。主要論述了課題的來(lái)源于研究意義。也介紹了本課題當(dāng)前研究現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展前景。第二章相關(guān)技術(shù)介紹。包括Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，Wi-Fi提供的基本服務(wù)以及Wi-Fi組網(wǎng)方式。第三章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。包括系統(tǒng)需求與架構(gòu)分析，并詳細(xì)介紹了單片機(jī)、Wi-Fi模塊和溫度傳感器的選型。第四章基于AtemlSAMD21的Wi-Fi模塊控制程序的開(kāi)發(fā)，介紹了Wi-Fi模塊控制流程、通信接口的選擇以及通信結(jié)構(gòu)。第五章系統(tǒng)測(cè)試，測(cè)試基于微信平臺(tái)的多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)是否正確可用，以及通信是否快速有效。第六章結(jié)論與展望，對(duì)本課題中的研究項(xiàng)目進(jìn)行總結(jié)。并對(duì)課題研究中的一些不足和未來(lái)擴(kuò)展方向進(jìn)行分析。52相關(guān)技術(shù)介紹2.1Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)802.11采用2.4Ghz和5Ghz兩個(gè)ISM頻段，2.4Ghz的ISM頻段被世界上絕大多數(shù)國(guó)家所采用，物理層使用了紅外、直接序列擴(kuò)頻（DSSS）或跳頻擴(kuò)頻（FSSS）2MbpsMAC）采用的是碰撞回避協(xié)議（CA）。基本服務(wù)集（BSS）分為IndependentBSS和InfrastructureBss兩種[4]。作為一個(gè)獨(dú)立的基本服務(wù)單元，IBSS網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有接入點(diǎn)。所以IBSS網(wǎng)絡(luò)也稱(chēng)為對(duì)等網(wǎng)絡(luò)（PeertoPeerAd-hoc）。在這種網(wǎng)絡(luò)中，各節(jié)點(diǎn)的地活和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。因此，該網(wǎng)絡(luò)中任意兩節(jié)點(diǎn)可以不經(jīng)過(guò)認(rèn)證就直接通信。端的基本功能也有報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)能力。圖2-1IBSS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)反之則是上述IBSS網(wǎng)絡(luò)。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)中的所有通信都要經(jīng)過(guò)接入點(diǎn)。接入點(diǎn)相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)中的基站。圖2-2基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)BSS802.11標(biāo)準(zhǔn)可以允許將幾個(gè)BSS串聯(lián)為擴(kuò)展服務(wù)集（ExtendedServiceSet，ESS）。擴(kuò)展服6疊以實(shí)現(xiàn)客戶(hù)端的無(wú)縫漫游，重疊區(qū)域保持在一五%～20%以上為佳。同一個(gè)ESS圖2-3拓展服務(wù)集拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2.2Wi-Fi的基本服務(wù)在IEEE802.11b一系列在MACSTASSSTA服務(wù)主要包含加密（Privacy）、媒介訪問(wèn)控制單元交付（MSDUdelivery），認(rèn)證（Authentieation）、解除認(rèn)證（Deauthentieation）；DS服務(wù)包含分離（Disassoeiation）、分發(fā)（Distribution）、聯(lián)合（Integration）、關(guān)聯(lián)（Assoeiation）和重新關(guān)聯(lián)（Reassociation）[5]。有線等效加密協(xié)議（WEP），對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行加密；媒介訪問(wèn)控制單元交付服務(wù)負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)正確傳輸?shù)秸_的位置。該服務(wù)給出了一種收發(fā)數(shù)據(jù)的方法。但是IEEE802.11提供檢錯(cuò)和糾錯(cuò)服務(wù)；認(rèn)證服務(wù)是IEEE802.11提供的一種網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)控制方式，身份；解除認(rèn)證服務(wù)用于斷開(kāi)當(dāng)前連接的驗(yàn)證關(guān)系。解除認(rèn)證不需要發(fā)送請(qǐng)求，7只需發(fā)送解除的通知。收到解除認(rèn)證后工作站會(huì)立即斷開(kāi)連接。系。如工作站在一個(gè)擴(kuò)展服務(wù)集（ESSBSS會(huì)根據(jù)距離自動(dòng)選擇接入點(diǎn)。重新關(guān)聯(lián)服務(wù)也可以用來(lái)改變已有關(guān)聯(lián)的屬性。2.3Wi-Fi安全技術(shù)的發(fā)展WLANMAC地址過(guò)濾和SSID訪問(wèn)的MAC列表，禁止表外的MAC訪問(wèn)。服務(wù)區(qū)標(biāo)識(shí)符匹配則通過(guò)設(shè)置密碼（SSID），只有工作站輸入的SSID與之匹配才可以訪問(wèn)。雖然這種機(jī)制較為簡(jiǎn)WEP）。WEP采用了RC4堆成加密算法，主要在數(shù)據(jù)鏈路層起作用。WEP使用多種格式的密鑰，40位、64位、128位都有所采用。WPA2是WPA的第二代標(biāo)準(zhǔn)，在原有的基礎(chǔ)上又有了更多的提升。WPA2與IEEE802.11i很相似，在安全驗(yàn)證上他們都選擇了預(yù)驗(yàn)證。在連接開(kāi)始前的很短8VPN來(lái)進(jìn)行無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接也是一種行之有效的安全策略。VPN采用DES和3DES等技術(shù)來(lái)保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。VPN的典型代表有IPSecVPN和SSLVPNIPSec證機(jī)制與預(yù)定義的安全關(guān)系極大地保護(hù)了客戶(hù)通信的安全性。SSLVPN則需要提前安裝到瀏覽器中。因?yàn)槠錈o(wú)客戶(hù)機(jī)的特性，可以極大地節(jié)約運(yùn)行開(kāi)支。若用戶(hù)對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全性要求較高可以選擇將VPN于其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全策略結(jié)合，以獲取最大程度的無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)通信安全[6]。2.4本章小結(jié)本章首先研究了Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，介紹了兩種基本服務(wù)集（BSS）的結(jié)構(gòu)以及多個(gè)基本服務(wù)集組成擴(kuò)展服務(wù)集（ESS）的方法。其次介紹了Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的兩類(lèi)基本服務(wù)STA服務(wù)和DS服務(wù)。最后介紹了Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的安全問(wèn)題，詳細(xì)說(shuō)明了Wi-Fi安全策略的發(fā)展過(guò)程以及一種無(wú)線局域網(wǎng)的安全解決方案。93遠(yuǎn)程多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)功能需求該系統(tǒng)最終的目的是實(shí)現(xiàn)用手機(jī)在微信客戶(hù)端遠(yuǎn)程監(jiān)控多個(gè)采集點(diǎn)的當(dāng)前溫度SAMD21單片機(jī)，LCD液晶顯示屏，ESP8266芯片，LM35模擬溫度傳感器，云服務(wù)器，Socket網(wǎng)絡(luò)編程，微信公眾平臺(tái)的開(kāi)下：(1)系統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)由一個(gè)接入互聯(lián)網(wǎng)的接入點(diǎn)（AP）發(fā)起，各測(cè)量點(diǎn)的單片機(jī)分別作為獨(dú)立的站點(diǎn)（STA）接入AP，實(shí)現(xiàn)了Wi-Fi的多對(duì)一連接模式以及TCP連接的多對(duì)一連接模式。（2）為了保證系統(tǒng)的安全性，對(duì)Wi-Fi接入點(diǎn)進(jìn)行了加密處理，對(duì)Wi-Fi模塊配置時(shí)輸入接入點(diǎn)的SSID和密碼，從而保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全可靠。（3）微信公眾平臺(tái)同一時(shí)間只接收一個(gè)客戶(hù)端的數(shù)據(jù)，從而避免了數(shù)據(jù)信息的紊亂，接收數(shù)據(jù)完成后公眾平臺(tái)自動(dòng)斷開(kāi)TCP連接。（4）單片機(jī)通過(guò)Wi-Fi模塊不斷向云服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)信息，服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)并每隔理范圍。10（5）系統(tǒng)的信息交互建立在互聯(lián)網(wǎng)連接上，微信平臺(tái)的連入云服務(wù)器，單片機(jī)AP通過(guò)登錄云服務(wù)器完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。（6）微信公眾平臺(tái)可以通過(guò)菜單、文字、語(yǔ)音的方式獲取采集到的溫度信息，體信息交互具有穩(wěn)定可靠性。3.2系統(tǒng)架構(gòu)分析完成的功能是采集當(dāng)前多個(gè)采集點(diǎn)環(huán)境溫度的信號(hào)，在A/DSAMD21單片機(jī)驅(qū)動(dòng)Wi-Fi在服務(wù)器端建立TCPTCP連接客戶(hù)端接入服務(wù)器，服務(wù)器保持Socket軟件監(jiān)聽(tīng)，負(fù)責(zé)將收到的信息轉(zhuǎn)發(fā)。最終在微信公眾號(hào)平臺(tái)將采集到的溫度數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。圖3-1系統(tǒng)總體框圖從SAMD21單片機(jī)硬件平臺(tái)、單片機(jī)001A/D轉(zhuǎn)換云服務(wù)器、微信公眾號(hào)平臺(tái)三部分組成，各的具體功能如下：（平臺(tái)D21單片機(jī)、ESP8266Wi-Fi芯片、溫度傳感器以

單片機(jī)001A/D轉(zhuǎn)換及LCD液晶顯示屏。SAMD21度采集并進(jìn)行A/DUART口收發(fā)串口數(shù)據(jù)。Wi-Fi模塊按照Wi-Fi協(xié)議單片機(jī)xxxA/D轉(zhuǎn)換Wi-Fi模塊收將為Wi-Fi信號(hào)或?qū)i-FiWi-Fi模塊分11別作為站點(diǎn)STA接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)AP。當(dāng)SAMD21單片機(jī)LCD液晶顯示屏上顯示的溫度數(shù)據(jù)與AP接收到的溫度數(shù)據(jù)一致時(shí)則說(shuō)明單片機(jī)Wi-Fi通信準(zhǔn)確無(wú)誤。（2）云服務(wù)器：因兩臺(tái)PC之間不能直接建立TCP連接，需通過(guò)多級(jí)路由轉(zhuǎn)接。PC都可以直接與其建立TCPTCPTCP信公眾號(hào)作為T(mén)CP的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至公眾號(hào)，而將公眾號(hào)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至單片機(jī)。（3按鍵等方式向單片機(jī)發(fā)送取數(shù)據(jù)的指令并正確獲取溫度數(shù)據(jù)。3.3硬件模塊選型AtmelSAMD21是基于32位ARMCortex-M0+32~64個(gè)引腳且其FLASH多達(dá)256KB、SRAM提升到了32KB。SAMD21最大工作頻率高達(dá)48MHz并且達(dá)到2.46Coremark/MHz。AtmelSAMD21具有以下關(guān)鍵特性：（1）低功耗。采用了Atmel獨(dú)特的省電技術(shù)與事件系統(tǒng)，各外設(shè)之間可以直接通信而無(wú)需CPU才喚醒CPU，平時(shí)CPU保持睡眠狀態(tài)。（2SAMD21使用了串行通信模塊SERCOM。每一個(gè)串行通信模塊都可以在軟件中進(jìn)行配置，可以分別處理I2C、UART/USART和SPI的通信需求。SAMD21還有12著工作頻率高達(dá)3.4MHz的I2C。（3DMASAMD21配有12通道直接存儲(chǔ)器控制器。支持存儲(chǔ)器和外設(shè)數(shù)據(jù)傳輸。（4USB。SAMD21USB有兩種工作模式，可以作USB嵌入式主機(jī)，也可以作USB設(shè)備模式。（5AtmelQTouch式和自電容式觸摸。（68KB到256KB14管腳到64管腳可供選擇，用戶(hù)可以選擇最符合要求的設(shè)備。圖3-2SAMD21系統(tǒng)框圖Flash可以通過(guò)SWD接口進(jìn)行在線編程。SWD接口在可以不下載程序的芯片上調(diào)用程序。AtmelSAMD21AtmelStdio包含數(shù)百個(gè)實(shí)驗(yàn)歷程，可以大大縮短用戶(hù)的開(kāi)發(fā)時(shí)間。Wi-FiRS232/RS485Wi-Fi信Wi-Fi32位MCUWi-Fi驅(qū)動(dòng)和協(xié)議，包含TCP/IP協(xié)議棧，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)IEEE802.11b.g.n協(xié)議棧。其接口一般為單片機(jī)接口，如UART口等。根據(jù)系統(tǒng)的要求，有以下三個(gè)較為符合的Wi-Fi模塊可用：WF-U-09T、13USR-WiFi232-B和ESP8266WF-U-09T可靠傳輸距離為50m70℃，3.3V工作電壓，250mA～300mAUSR-WiFi232-B可靠傳輸距離在300m～400m,工作溫度-20℃～80℃，3.3V工作電壓，170mA～300mA功耗電流；ESP8266可靠傳輸距離為300m,3.3V80mA功ESP8266ESP8266價(jià)格更為低廉，所以是本課題最佳選擇的嵌入式Wi-Fi模塊。表3-1三款Wi-Fi性能對(duì)比表技術(shù)特性WF-U-09TUSR-WiFi232-BESP8266無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.11b/gIEEE802.11bnIEEE802.11bn功耗電流250mA～300mA170mA～300mA80mA工作電壓3.3V3.3V3.3V接收靈敏度-68dBm-89dBm～-71dBm-91dBm～-72dBm發(fā)射功率12dBm一五dBm～20dBm14dBm～20dBm工作溫度-10℃～70℃-20℃～80℃-40℃～125℃?zhèn)鬏斁嚯x50m300m～400m300mESP8266是一塊非常實(shí)用的Wi-Fi模塊。既可以加載在其他主機(jī)或者單片機(jī)上運(yùn)14ESP8266FlashESP8266作為其他計(jì)算機(jī)或單片機(jī)的Wi-Fi模塊時(shí)，可以通過(guò)計(jì)SERCOM接口使用AT指令對(duì)其進(jìn)行初始化和配置即可[8]。ESP8266芯片有著較大的存儲(chǔ)空間和快速的計(jì)算能力?？梢愿鶕?jù)需要配合其他傳感器使用，只需將其他傳感器搭載在空置的GPIO口上，無(wú)需其他MCU控制器。這種設(shè)計(jì)方法最大程度的節(jié)省了開(kāi)發(fā)所占的系統(tǒng)資源。ESP8266芯片集成度極高，內(nèi)部包含很多部分。包括無(wú)線開(kāi)關(guān)、電源管理轉(zhuǎn)換部件。其外部電路很少，在實(shí)際開(kāi)發(fā)中占用的空間也相對(duì)較少。圖3-3ESP8266結(jié)構(gòu)圖其中數(shù)字、模擬溫度傳感器應(yīng)用較為廣泛。度轉(zhuǎn)化為數(shù)字量供計(jì)算機(jī)處理，無(wú)需A/D加簡(jiǎn)便，便于設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。常用的數(shù)字溫度傳感器有DS一八B20，DHT11等。是價(jià)格低廉、溫差小、占用空間小、功率損耗少等。15LM35量溫度可以低至0℃。所以，LM35是本課題的理想溫度傳感器。3.4Wi-Fi模塊的串口工作模式Wi-Fi模塊的通信包含兩部分。一部分是Wi-Fi模塊和SAMD21單片機(jī)通過(guò)UART串口進(jìn)行通信。另一部分是Wi-Fi模塊通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)接入點(diǎn)進(jìn)行通信。UART是單片機(jī)的串口，又稱(chēng)通用異步收發(fā)傳輸器（UniversalAsynchronousReceiver/TransmitterUART)[10]率為1一五200，不使用校驗(yàn)位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。AT就是Attention。AT指令集是AT指令的集合。通常是由終端設(shè)備發(fā)出，由終端適配器接收的指令集合。ESP8266通過(guò)AT指令對(duì)其配置。常用的AT指令有以下幾條：表3-2常見(jiàn)AT指令A(yù)T測(cè)試AT啟動(dòng)AT+RST重啟模塊AT+GMR查看版本信息AT+UART設(shè)置串口配置AT+RESTORE恢復(fù)出廠設(shè)置16AT+CWMODE選擇WIFI應(yīng)用模式AT+CWJAP加入APAT+CIPSTA設(shè)置STA的IP地址AT+CIPAP設(shè)置AP的IP地址AT+CIPSTATUS獲得連接狀態(tài)AT+CIPSTART建立TCP連接或注冊(cè)UDP端口號(hào)AT+CIPSEND發(fā)送數(shù)據(jù)AT+CIPCLOSE關(guān)閉TCP或UDPAT+CIFSR獲取本地IP地址AT+CIPMUX啟動(dòng)多連接AT+CIPSERVER配置為服務(wù)器AT+CIPMODE設(shè)置模塊傳輸模式在Wi-Fi正常供電之后，由SAMD21單片機(jī)UART發(fā)送AT指令對(duì)Wi-Fi模塊進(jìn)行配置。通過(guò)AT指令使Wi-Fi模塊作為站點(diǎn)加入已開(kāi)啟的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)，組成17一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。先發(fā)送ATOK后發(fā)送AT+UART對(duì)串口進(jìn)行配置、發(fā)送AT+CWMODE=3選擇STA和AP共存的方式；同樣，待返回OK后發(fā)送AT+CWJAP=“SSID”,“PASSWORD”連入已開(kāi)啟的無(wú)線路由器。具體流程圖如下：圖3-4AT指令配置流程圖3.5本章小結(jié)定了硬件各部分的選型，詳細(xì)分析了單片機(jī)，Wi-Fi模塊，溫度傳感器選型的合理性。介紹了SAMD21單片機(jī)、ESP8266芯片和LM35的基本情況和特性。了解了硬件模塊的優(yōu)點(diǎn)與不足。184基于SAMD21的Wi-Fi控制程序開(kāi)發(fā)4.1MCU與Wi-Fi通信接口選擇本課題使用的SAMD21單片機(jī)有多達(dá)6個(gè)SERCOMSPI接口、I2C接口、全雙工或單線半雙工USART或LIN從機(jī)。SPI（SerialPeripheralInterface）串行外設(shè)接口。SPI總線具體包含三條信號(hào)SPI設(shè)備可以通過(guò)SPI總線相互連接。在這種連接中，由SPI主機(jī)提供SPI時(shí)鐘信號(hào)。其他設(shè)備成為從設(shè)備或者SPI在用通用輸入輸出口模擬SPI入口。I2C(SCLSDA)multi-masterI2C還有總線仲裁機(jī)制，常用于各設(shè)備之間高頻率、短距離的信息交互。根據(jù)I2C的通用輸入輸出口模擬I2C總線進(jìn)行雙向傳輸時(shí)。需要一個(gè)輸入輸出口和一個(gè)輸出口。UART總線使用的是異步串口通信協(xié)議，其結(jié)構(gòu)較前兩種串口的接口要龐雜很多。其基本組成結(jié)構(gòu)有UART接收器、UART發(fā)送器、波特率產(chǎn)生器。波特率產(chǎn)生器產(chǎn)生波特率約等于數(shù)據(jù)波特率的16TX用于發(fā)送數(shù)19據(jù)，接收線RX用于接收數(shù)據(jù)。同樣，如果用通用輸入輸出接口模擬UART總線。需要一個(gè)輸入接口和一個(gè)輸出接口。4.2Wi-Fi模塊通信接口協(xié)議UART使用的是異步，串行通信。應(yīng)用環(huán)境。同一個(gè)字符中不同位之間的時(shí)間間隔是一定的。信進(jìn)程的波特率為200字符/10的波特率就是2000波特。具體的通信格式如下圖所示，一個(gè)數(shù)據(jù)幀中包含7個(gè)有效數(shù)據(jù)位，1個(gè)起始位，1個(gè)校驗(yàn)位，1個(gè)停止位。圖4-1UART數(shù)據(jù)傳輸格式其中各位的意義如下：起始位：即邏輯值“0”，代表著一個(gè)數(shù)據(jù)幀的起始。數(shù)據(jù)位：可以是5～8位邏輯”0”或”1”。如ASCII碼（7位），擴(kuò)展BCD碼（8位）。以小字節(jié)序傳輸。校驗(yàn)位：數(shù)據(jù)位加上一位校驗(yàn)位可以通過(guò)驗(yàn)證“1”的位數(shù)是偶數(shù)位還是奇數(shù)位20停止位：它是一個(gè)字符數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)志。可以是1位、1.5位、2位的高電平。空閑位：即邏輯值“1”，表示當(dāng)前沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸。4.3Wi-Fi模塊控制程序設(shè)計(jì)Atmel單片機(jī)的開(kāi)發(fā)用到的是Atmel官方IDE——AtmelStdio。它是對(duì)Atmel單片機(jī)進(jìn)行開(kāi)發(fā)最快捷的IDE，包括編譯、運(yùn)行、調(diào)試的所有過(guò)程。該軟件可以通過(guò)在線編程的方式將代碼存儲(chǔ)到單片機(jī)的內(nèi)存中，開(kāi)發(fā)過(guò)程快速高效。AtmelStdio可以用于Atmel絕大多數(shù)單片機(jī)的軟件開(kāi)發(fā)。因其內(nèi)核基于VisualStdio，開(kāi)發(fā)過(guò)程也與VS十分相似。此外還有特殊的軟件設(shè)計(jì)框架（AtmelSoftwareFramework，AFS），包含著豐富的開(kāi)發(fā)歷程。這大大縮短了用戶(hù)的開(kāi)發(fā)時(shí)間。Wi-FiUART串口信號(hào)轉(zhuǎn)換為Wi-Fi信號(hào)。二是作為站點(diǎn)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)通訊，將Wi-Fi信號(hào)發(fā)送到接入點(diǎn)。同樣，在接收信號(hào)時(shí)也起到兩個(gè)作用，一是從無(wú)線網(wǎng)Wi-Fi信號(hào)轉(zhuǎn)換為串口信號(hào)發(fā)送回單片機(jī)MCU。其控制程序流程圖如下：圖4-2控制程序流程圖21本課題中的SAMD21單片機(jī)使用AtmelStdioWi-Fi模塊的配置也在AS中進(jìn)行。具體是先對(duì)單片機(jī)的UART口進(jìn)行初始化，再通過(guò)UART口收發(fā)數(shù)據(jù)對(duì)Wi-Fi具體配置過(guò)程如下：SAMD21使用的串行通訊模塊完全可以在AtmelStdio軟件中進(jìn)行配置。從而滿(mǎn)足I2C、SPI和USART/UART通信需求。通過(guò)多個(gè)串行通訊模塊的組合，可以在器件上個(gè)性化地定制外部設(shè)備的組合。所以先要將單片機(jī)的一個(gè)SERCOM配置為UART接口，再使用AtmelStdio中的庫(kù)函數(shù)configure_usart()對(duì)其單片機(jī)UART口進(jìn)行初始化。部分過(guò)程如下：structusart_configconfig_usart;//單片機(jī)UART口初始化usart_get_config_defaults(&config_usart);config_=1一五200;config__setting=EXT2_UART_SERCOM_MUX_SETTING;config__pad0=EXT2_UART_SERCOM_PINMUX_PAD0;……while(usart_init(&usart_instance,EXT2_UART_MODULE,&config_usart)!=STATUS_OK){}UART1一五200,EXT2擴(kuò)展口的SERCOM配置為UART口。并在UART口初始化成功返回STATUS_OK以后SAMD21上的EXT2擴(kuò)展口就被配置為UART22對(duì)其進(jìn)行讀寫(xiě)。通過(guò)對(duì)UART接口分步寫(xiě)入AT指令以對(duì)于UART接口相連的Wi-Fi芯片進(jìn)行配置。先對(duì)Wi-Fi模塊的工作模式、波特率等進(jìn)行設(shè)置，再控制其加入已存在的Wi-FiTCP服務(wù)器，最后再定義發(fā)送數(shù)據(jù)的格式并且按順序發(fā)送溫度數(shù)據(jù)。部分過(guò)程如下：uint8_tstring0[]="AT+CWMODE=3\r\n";uint8_tstring1[]="AT+CWJAP=\"SSID\",\"PASSWORD\"\r\n";uint8_tstring3[]="AT+CIPSTART=\"TCP\",\"\",5800\r\n";uint8_tstring4[]="AT+CIPSEND=8\r\n";uint8_tstring5[]="0000-xxx\r\n";//將AT指令存入數(shù)組……usart_write_buffer_wait(&usart_instance,string0,sizeof(string0));delay_ms(1000);//發(fā)送相應(yīng)的AT指令對(duì)Wi-Fi模塊配置usart_write_buffer_wait(&usart_instance,string1,sizeof(string1));delay_ms(6000);usart_write_buffer_wait(&usart_instance,string3,sizeof(string3));delay_ms(1000);……23usart_write_buffer_wait(&usart_instance,string4,sizeof(string4));delay_ms(100);usart_write_buffer_wait(&usart_instance,string5,sizeof(string5));delay_ms(100);首先將AT指令寫(xiě)在8位的int數(shù)組中，再用庫(kù)函數(shù)usart_write_buffer_waitAT指令通過(guò)UART接口寫(xiě)入Wi-Fi芯片以實(shí)現(xiàn)對(duì)其的配置。配置中多次用到delay_ms（）函數(shù)是因?yàn)閃i-Fi模塊對(duì)AT指令的配置有一段時(shí)間的響應(yīng)期，期間再寫(xiě)入其他AT指令可能造成Wi-Fi模塊的崩潰。加入延時(shí)函數(shù)能夠有效地保證Wi-Fi模塊的穩(wěn)定運(yùn)行。單片機(jī)采集環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。之后通過(guò)UART接口進(jìn)行發(fā)送，先從FIFO讀取數(shù)據(jù)。再執(zhí)行并—串轉(zhuǎn)換。輸出的數(shù)據(jù)幀格式為起始位在前，后面為數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位。在談到波特率之前，先要提到波特率除數(shù)（baud-ratedivisor）。它是一個(gè)22位數(shù)，其中含有16位整數(shù)和6位小數(shù)。根據(jù)這兩個(gè)數(shù)我們可以確定位周期。若中使用的波特率是1一五200。接收：在UART硬件的所有操作都是由一個(gè)運(yùn)行速率在數(shù)據(jù)速率數(shù)倍的時(shí)鐘信號(hào)245至8UART將設(shè)置一個(gè)標(biāo)志指接收的數(shù)據(jù)。UART通信通常沒(méi)有共同的計(jì)時(shí)系統(tǒng)。通常情況下，UART在每一個(gè)數(shù)據(jù)脈沖變化能夠可靠地接收信號(hào)。簡(jiǎn)化的UART并不這樣做，而是重新同步的起始點(diǎn)的下降地采樣，這種方法就是可行的。這是UART在接收下一個(gè)字符時(shí)存儲(chǔ)當(dāng)前字符的典型特點(diǎn)。這個(gè)“雙緩沖”給出了接收計(jì)算機(jī)的一個(gè)字符傳輸時(shí)間來(lái)獲取一個(gè)接收到的字符。UART在主機(jī)系統(tǒng)接口和接收移位寄存器之間有FIFO緩沖內(nèi)存。這給了主機(jī)處理器更多的時(shí)間來(lái)處理UART中斷，并降低接收數(shù)據(jù)的丟失率[11]。UART產(chǎn)生一個(gè)符的傳輸時(shí)間相對(duì)于CPU的運(yùn)行時(shí)間仍十分長(zhǎng)，所以UART會(huì)顯示一個(gè)繁忙的數(shù)“轉(zhuǎn)備好發(fā)送下一個(gè)字符也可以被看做一個(gè)中斷信號(hào)。因?yàn)槿p工操作需要在同一時(shí)間發(fā)送和接收字符，UART使用了兩個(gè)不同的移位寄存器分別用來(lái)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。4.4Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的多連接與歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)25在本課題中已經(jīng)建立好了Wi-Fi的無(wú)線網(wǎng)接入點(diǎn)（AP點(diǎn)（STA）接入。接入點(diǎn)已經(jīng)接入互聯(lián)網(wǎng)，故站點(diǎn)也可通過(guò)接入點(diǎn)訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)，訪問(wèn)云服務(wù)器。具體組網(wǎng)過(guò)程如下：(1)首先使用PC、手機(jī)或無(wú)線路由器建立無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，例如本課題中使用TP-LINK無(wú)線路由器建立了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。圖4-3建立Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)（2AT指令配置ESP8266Wi-Fi模塊，使其連入已經(jīng)創(chuàng)建好的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)。對(duì)應(yīng)的ATAT+CWJAP="SSID","PASSWORD"SSID是Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)名稱(chēng)，PASSWORD是其對(duì)應(yīng)的密碼。圖4-4多個(gè)客戶(hù)端連入同一WLAN由上圖可以看出，當(dāng)有多個(gè)單片機(jī)與同一AP建立無(wú)線網(wǎng)連接時(shí)，分配的都是無(wú)限局域網(wǎng)內(nèi)的IP(0x),每一個(gè)設(shè)備分配一個(gè)IP地址。（3AT指令配置Wi-Fi模塊，使其與云服務(wù)器建立TCP連接，作為T(mén)CP客戶(hù)端。對(duì)應(yīng)的ATAT+CIPSTART="TCP","",58000。該指令的作用是選擇TCP協(xié)議，作為T(mén)CP客戶(hù)端與目標(biāo)IP為，目標(biāo)端口為58000的TCP服務(wù)器建立連接。圖4-5TCP服務(wù)器由上圖可以看出，當(dāng)多個(gè)無(wú)限局域網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備與該局域網(wǎng)外的終端通信時(shí)使用的都是該網(wǎng)段的公網(wǎng)IP，只不過(guò)各設(shè)備對(duì)應(yīng)的端口號(hào)不同。26對(duì)此我們將在云服務(wù)器上的TCP時(shí)按一定的時(shí)間間隔各個(gè)單片機(jī)的溫度數(shù)據(jù)分別記錄。具體過(guò)程如下：對(duì)應(yīng)的采集時(shí)間。structrtemp//定義的結(jié)構(gòu)體用于存儲(chǔ)各個(gè)位置的{//溫度數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的時(shí)間charpos1[2];charpos2[2];intmonth;intday;inthour;intminute;intsecond;};在SOCKET網(wǎng)絡(luò)通信中將微信公眾號(hào)定義為標(biāo)識(shí)01識(shí)0和標(biāo)識(shí)1相互通信，服務(wù)器僅負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)。if(askernum==0){27Ret=recv(ClientSocket,RecvBuffer1,1024,0);//微信客戶(hù)端發(fā)送給單片機(jī)}else{Ret=recv(ClientSocket,RecvBuffer,1024,0);//單片機(jī)發(fā)送給微信客戶(hù)端}if(Ret==0||Ret==SOCKET_ERROR)//客戶(hù)端斷開(kāi)連接{cout<<"客戶(hù)端退出!"<<endl;numClient--;return0;}temp1temp2……文件里的溫度數(shù)據(jù)讀取出并發(fā)送給微信。具體過(guò)程如下：if((fp=fopen("","rt"))==NULL)//打開(kāi)預(yù)先存儲(chǔ)的文件{exit(1);}b=record;28while((m=fgetc(fp))!=EOF){*b++=m;};//將整個(gè)文件里的數(shù)據(jù)讀出fclose(fp);*b='\0';send(ClientSocket,record,BufferLen,0);//發(fā)送給微信公眾號(hào)每個(gè)單片機(jī)采集的溫度數(shù)據(jù)被分別存儲(chǔ)在獨(dú)立的txt文件里，具體格式如下：圖4-6存在文件里的溫度數(shù)據(jù)圖中的數(shù)據(jù)分別是溫度采集的時(shí)間，1號(hào)位置的溫度和2號(hào)位置的溫度，時(shí)間記錄精度到秒，溫度記錄精度到1攝氏度。4.5本章小結(jié)本章主要論述了Wi-Fi通信的協(xié)議以及Wi-Fi分析了單片機(jī)與Wi-Fi模塊通信接口的選擇，詳細(xì)介紹了I2C，SPI和UART的異同。然后介紹了UART通信協(xié)議，對(duì)其通信的時(shí)序進(jìn)行了分析。最后介紹了控制ATAT指令對(duì)Wi-Fi及將歷史溫度數(shù)據(jù)保存至文件的具體實(shí)現(xiàn)步驟。295系統(tǒng)測(cè)試5.1Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)連接測(cè)試統(tǒng)前一段時(shí)間采集的歷史溫度數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)連接有Wi-Fi模塊配置、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)搜索、Wi-Fi熱點(diǎn)的驗(yàn)證與接入。首先實(shí)物實(shí)測(cè)過(guò)程如下：（1）無(wú)線路由器開(kāi)啟Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)（2）將多個(gè)單片機(jī)所連的Wi-Fi模塊進(jìn)行配置，分別進(jìn)行初始化并選擇已知路由器輸入用戶(hù)名、密碼連入。Wi-Fi模塊都可以正常連接至Wi-Fi時(shí)進(jìn)行有效通信。圖5-1實(shí)物測(cè)試5.2微信終端獲取數(shù)據(jù)測(cè)試示的溫度數(shù)據(jù)與服務(wù)器端接收的溫度數(shù)據(jù)同時(shí)與硬件采集平臺(tái)顯示的溫度數(shù)據(jù)一致時(shí)則說(shuō)明系統(tǒng)Wi-Fi確連接的情況下使用微信進(jìn)行測(cè)試。實(shí)測(cè)過(guò)程如下：圖5-2微信公眾號(hào)界面306總結(jié)與展望6.1總結(jié)為課題中使用的通信方式。Wi-Fi雖然安全性較差，但以其較遠(yuǎn)的傳成度日益提高，電子器件功耗不斷降低。該系統(tǒng)的目的是把低成本、要完成了以下幾個(gè)任務(wù)：（1MCUWi